量子纠缠以前所未有的方式测量地球的自转

该实验通过在从旋转地球的本地位置（奥地利维也纳）开始的放大框架内绘制萨格纳克纤维的干涉图来描述。 两个无法区分的光子落在分光立方体上，发生纠缠，然后在光纤干涉仪中耦合。 图片来源：Marco De Vita

维也纳大学的一项量子物理实验在利用纠缠光子测量地球自转方面取得了突破性的精度。

该研究使用改进的萨格纳克光学干涉仪，利用量子纠缠以前所未有的精度检测自旋效应，为量子力学和广义相对论带来潜在的突破。

开创性的量子实验

一组研究人员进行了一项开创性的实验，测量了地球自转对量子纠缠光子的影响。 这项工作由维也纳大学的 Philipp Walter 领导，刚刚发表在该杂志上 科学的进步。 它代表了一项重大突破，突破了基于纠缠的传感器的自旋灵敏度极限，为进一步探索量子力学和广义相对论之间的交叉点铺平了道路。

萨格纳克干涉仪的进展

萨格纳克光学干涉仪是对旋转最敏感的干涉仪之一。 自上世纪初以来，它一直是我们理解基础物理学的核心，为爱因斯坦狭义相对论的建立做出了贡献。 如今，其无与伦比的精度使其成为测量旋转速度的理想工具，而旋转速度仅受经典物理学的限制。

Sagnac 干涉仪由 2 km 长的光纤缠绕在 1.4 m 长的方形铝框架上制成。 图片来源：拉斐尔·西尔维斯特里

量子纠缠增强灵敏度

使用量子纠缠的干涉仪有可能打破这些界限。 如果两个或多个粒子纠缠在一起，则只能知道聚集状态，而单个粒子的状态在测量之前仍不确定。 这可用于为每次测量获取比没有它时可以获得的更多信息。 然而，所承诺的灵敏度量子跃迁却因纠缠的极其精确的性质而受到阻碍。

维也纳的经验在这方面发挥了重要作用。 他们建造了一个巨大的萨格纳克光纤干涉仪，并在几个小时内保持低噪音和稳定。 这使得能够检测到足够的高质量纠缠 光子 这些对的旋转分辨率比之前的萨格纳克量子光学干涉仪高出一千倍。

量子测量的创新技术

在萨格纳克干涉仪中，两个粒子沿旋转闭合路径的相反方向移动，并在不同时间到达起点。 对于两个纠缠的粒子，情况会变得可怕：它们的行为就像一个同时经历两个方向的单个粒子，同时与没有纠缠的情况相比，累积了两倍的延迟。 这种独特的特性被称为超精度。 在实际实验中，两个纠缠光子在包裹着巨大线圈的2公里长光纤内传播，形成了有效面积超过700平方米的干涉仪。

克服量子实验中的挑战

研究人员面临的一大障碍是分离和提取地球的固定旋转信号。 主要作者 Raffaele Silvestri 解释说：“问题的本质是为我们的测量创建一个参考点，使光线不受地球自转的影响。”“由于我们无法阻止地球自转，因此我们设计了一种替代解决方案。 ：将光纤分成两个长度相等的线圈，并通过光开关将它们连接起来。”

通过打开和关闭开关，研究人员能够有效地随意取消旋转信号，这也使他们能够扩展大型设备的稳定性。 “我们基本上欺骗了光，让它认为它存在于一个不旋转的宇宙中，”西尔维斯特里说。

确认量子力学和相对论相互作用

该实验是维也纳大学和奥地利科学院主办的 TURIS 研究网络的一部分，成功观察了地球自转对最大纠缠光子态的影响。 这证实了旋转参考系与量子纠缠之间的相互作用，正如爱因斯坦狭义相对论和量子力学中所描述的那样，其精度比之前的实验提高了千倍。

“这是自首次利用光观测到地球自转以来一个世纪以来的重大事件，单个光量子的纠缠最终进入了相同的传感系统，”玛丽大学研究员、参与该实验的于浩昆说道。居里大学。 博士后研究员。

Philipp Walther 补充道：“我相信我们的结果和方法将为进一步提高基于纠缠的传感器的自旋灵敏度铺平道路，这可能为未来测试跨时空曲线的量子纠缠行为的实验开辟道路。”

参考文献：“利用量子纠缠对地球自转进行实验观测”，作者：Raffaele Silvestri、Haokun Yu、T​​heodor Stromberg、Christopher Helwig、Robert W. Peterson 和 Philip Walther，2024 年 6 月 14 日， 科学的进步。
DOI：10.1126/sciadv.ado0215